陈丹等：金属材料内部非金属夹杂超声检测的数值模拟 ·947 1.2 一无夹杂物 0.6 一TiN 1.0 05 一TiN 0.8 0.4 0.6 0.3 0.4 0.2 0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.0 0.5 1.0 1.5 2.0 额率/MHz 顿率/MHz 图6夹杂物回波(a)和底面回波(b)的声波频谱 Fig.6 Spectra of inclusions'echo waves (a)and bottom echo waves (b) 使得底面回波各频率成分的幅值均有所降低 与底面回波相互混叠，观察不到完整的底面回波波形， 图5所示的时域波形结果表明：夹杂物与样品的 并且整个回波的幅值减小.近底面含有夹杂物和无夹 声阻抗差异越小，即夹杂物属性与本体材料属性越接 杂物的波形对比结果，如图7(b)所示.由于夹杂物的 近，其反射回波越弱，在有各类噪声和衰减存在的情况 存在，引起底面回波的提前和展宽增加，由此可以判断 下检测难度越大.图6所示的不同夹杂物的缺陷回波 夹杂物距底面的具体位置.近表面含有夹杂物和无夹 及底面回波的频谱对比结果表明：不同夹杂物对超声 杂物的波形对比结果，如图7(c)所示.与图7(b)对 波的敏感频率不同，AL,O,夹杂物对8MHz和13MHz 比可知，二者波形存在较大差异.界面波的展宽增 的超声波较为敏感，并由此引起较大衰减，而TN夹杂 加，而底面回波起始时刻的完全重合充分说明了夹 物对频率为8MHz和12.5MHz的超声波衰减较大. 杂物存在于样品上表面.上述结果显示，在实际检测 2.2不同深度的夹杂物 中，将样品翻转后进行测量可以得到近表面夹杂物 图5结果显示，当夹杂物位于材料中部，使得夹杂 的具体位置. 物缺陷回波信号与界面波和底面回波明显分离时，通 对AL,O,夹杂物不同夹杂位置的A扫波形作快速 过缺陷回波出现的时间可以得到夹杂物缺陷的深度信 傅里叶变换得到相应的频谱图，如图8所示.图8(a) 息.但是，对于材料内部的近表面或近底面夹杂物检 是夹杂物位于近表面时的界面波与底面回波的频谱对 测，夹杂物回波信号淹没在表面波或底面回波信号 比结果，其中界面波的频谱分布包含了完整的夹杂物 中而引起辨识困难.为了更好地观察夹杂物在材料 缺陷回波.从图可知，对于中心频率为10MHz的超声 内近表面不同位置引起的回波波形变化，选择声压 波，夹杂物引起高频部分的衰减要大于低频部分的衰 反射率较高的山0，夹杂物进行分析.其中，夹杂物 减，使得包含夹杂物回波的界面波中心频率向低频部 上表面分别距离材料上表面0.3mm和4.5mm(考 分偏移.其次，底面回波的频谱存在两个明显的峰值， 虑夹杂物的厚度为0.2mm,因而夹杂物下表面距材 峰值频率分别为8MHz和13MHz.需要注意的是，该 料底面的距离为0.3mm).计算获得材料中的A扫 峰值频率不同于图6()得到的敏感频率，前者是底面 波形，如图7所示. 回波的频谱成分，而后者是缺陷回波的频谱成分.图8 图7(a)显示，夹杂物距离样品上表面0.3mm时， (b)是夹杂物位于近底面时的界面波与底面回波的频 夹杂物回波与界面波发生混叠，引起界面波的展宽增 谱对比结果，其中底面回波包含了完整的夹杂物回波. 加.根据超声检测盲区的计算公式可知，当薄板中 界面波的频谱成分保持不变，而底面回波的频谱成分 的纵波声速为5748m·s,界面波的宽度为300ns时 发生劈裂，劈裂幅度相对较小，二者峰值处的频率分别 (界面波的宽度是由探头频率及加载时间共同决定 为10.5MHz和12.5MHz.上述劈裂产生的原因均是 的)，检测盲区为(300×10-9s×5748ms)12=0.86 超声波在敏感频率处产生较强的衰减而使单一的频谱 mm.图7(a)所示的夹杂物位于检测盲区内，其引起的 峰转变为多频谱峰.综上所述，夹杂物位置的不同，超 反射回波有部分淹没在界面波中，夹杂物回波在二者 声波敏感频率的衰减程度不同，相比较而言，夹杂物距 界面及夹杂物内部界面间发生多次反射和多次透射， 离材料上表面对敏感频率的衰减程度较大.通过超声 并且对底面回波也产生类似的影响，这种现象与多层 波的频谱分布可以定性地判断夹杂物的位置.关于峰 复合材料中声波的传播特性相近.当夹杂物位于材料 值劈裂的位置及大小是否与夹杂物的性质及尺寸有 近底面0.3mm时，界面波保持不变，夹杂物回波 关，还有待于进一步研究陈 丹等: 金属材料内部非金属夹杂超声检测的数值模拟 图 6 夹杂物回波( a) 和底面回波( b) 的声波频谱 Fig． 6 Spectra of inclusions' echo waves ( a) and bottom echo waves ( b) 使得底面回波各频率成分的幅值均有所降低． 图 5 所示的时域波形结果表明: 夹杂物与样品的 声阻抗差异越小，即夹杂物属性与本体材料属性越接 近，其反射回波越弱，在有各类噪声和衰减存在的情况 下检测难度越大． 图 6 所示的不同夹杂物的缺陷回波 及底面回波的频谱对比结果表明: 不同夹杂物对超声 波的敏感频率不同，Al2 O3 夹杂物对 8 MHz 和 13 MHz 的超声波较为敏感，并由此引起较大衰减，而 TiN 夹杂 物对频率为 8 MHz 和 12. 5 MHz 的超声波衰减较大． 2. 2 不同深度的夹杂物 图 5 结果显示，当夹杂物位于材料中部，使得夹杂 物缺陷回波信号与界面波和底面回波明显分离时，通 过缺陷回波出现的时间可以得到夹杂物缺陷的深度信 息． 但是，对于材料内部的近表面或近底面夹杂物检 测，夹杂物回波信号淹没在表面波或底面回波信号 中而引起辨识困难． 为了更好地观察夹杂物在材料 内近表面不同位置引起的回波波形变化，选择声压 反射率较高的 Al2O3夹杂物进行分析． 其中，夹杂物 上表面分别距离材料上表面 0. 3 mm 和 4. 5 mm ( 考 虑夹杂物的厚度为 0. 2 mm，因而夹杂物下表面距材 料底面的距离为 0. 3 mm) ． 计算获得材料中的 A 扫 波形，如图 7 所示． 图 7( a) 显示，夹杂物距离样品上表面 0. 3 mm 时， 夹杂物回波与界面波发生混叠，引起界面波的展宽增 加［18］． 根据超声检测盲区的计算公式可知，当薄板中 的纵波声速为 5748 m·s － 1，界面波的宽度为300 ns时 ( 界面波的宽度是由探头频率及加载时间共同决定 的) ，检测盲区为( 300 × 10 － 9 s × 5748 m·s － 1 ) /2 = 0. 86 mm． 图 7( a) 所示的夹杂物位于检测盲区内，其引起的 反射回波有部分淹没在界面波中，夹杂物回波在二者 界面及夹杂物内部界面间发生多次反射和多次透射， 并且对底面回波也产生类似的影响，这种现象与多层 复合材料中声波的传播特性相近． 当夹杂物位于材料 近底面 0. 3 mm 时，界面波保持不变，夹杂物回波 与底面回波相互混叠，观察不到完整的底面回波波形， 并且整个回波的幅值减小． 近底面含有夹杂物和无夹 杂物的波形对比结果，如图 7( b) 所示． 由于夹杂物的 存在，引起底面回波的提前和展宽增加，由此可以判断 夹杂物距底面的具体位置． 近表面含有夹杂物和无夹 杂物的波形对比结果，如图 7( c) 所示． 与图 7( b) 对 比可知，二者波形存 在 较 大 差 异． 界面波的展宽增 加，而底面回波起始时刻的完全重合充分说明了夹 杂物存在于样品上表面． 上述结果显示，在实际检测 中，将样品翻转后进行测量可以得到近表面夹杂物 的具体位置． 对 Al2O3夹杂物不同夹杂位置的 A 扫波形作快速 傅里叶变换得到相应的频谱图，如图 8 所示． 图 8( a) 是夹杂物位于近表面时的界面波与底面回波的频谱对 比结果，其中界面波的频谱分布包含了完整的夹杂物 缺陷回波． 从图可知，对于中心频率为 10 MHz 的超声 波，夹杂物引起高频部分的衰减要大于低频部分的衰 减，使得包含夹杂物回波的界面波中心频率向低频部 分偏移． 其次，底面回波的频谱存在两个明显的峰值， 峰值频率分别为 8 MHz 和 13 MHz． 需要注意的是，该 峰值频率不同于图 6( a) 得到的敏感频率，前者是底面 回波的频谱成分，而后者是缺陷回波的频谱成分． 图 8 ( b) 是夹杂物位于近底面时的界面波与底面回波的频 谱对比结果，其中底面回波包含了完整的夹杂物回波． 界面波的频谱成分保持不变，而底面回波的频谱成分 发生劈裂，劈裂幅度相对较小，二者峰值处的频率分别 为 10. 5 MHz 和 12. 5 MHz． 上述劈裂产生的原因均是 超声波在敏感频率处产生较强的衰减而使单一的频谱 峰转变为多频谱峰． 综上所述，夹杂物位置的不同，超 声波敏感频率的衰减程度不同，相比较而言，夹杂物距 离材料上表面对敏感频率的衰减程度较大． 通过超声 波的频谱分布可以定性地判断夹杂物的位置． 关于峰 值劈裂的位置及大小是否与夹杂物的性质及尺寸有 关，还有待于进一步研究． · 749 ·